Ansoft建模在電機(jī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

劉 慧，郝雯娟

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇 南京 210016）

電機(jī)學(xué)作為電氣工程專業(yè)本科教學(xué)的重要學(xué)科，在傳統(tǒng)授課過程中存在著講解難度大，學(xué)生理解困難等問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與各類有限元分析軟件的出現(xiàn)，在電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析方面起到了非常重要作用。目前，電機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)企業(yè)也對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)軟件從業(yè)者需求較大。

Ansoft/Maxwell軟件作為一款工業(yè)應(yīng)用廣泛的電磁場(chǎng)分析軟件，在二維、三維靜態(tài)與動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)仿真中都具有很高的精確度。對(duì)于電機(jī)本體設(shè)計(jì)者和學(xué)生而言，由于其拋棄傳統(tǒng)有限元軟件的編程建模形式，采用圖像化建模，大大降低了入門難度，是一款較為合適的電機(jī)設(shè)計(jì)與教學(xué)輔助軟件。文章以Ansoft/Maxwell軟件平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過對(duì)電機(jī)學(xué)課程中的不同電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，仿真分析其空載磁場(chǎng)、磁鏈、反電勢(shì)、電感以及轉(zhuǎn)矩等電磁性能，幫助理解不同電機(jī)結(jié)構(gòu)的工作原理，實(shí)現(xiàn)輔助教學(xué)的作用。

1 Ansoft/Maxwell軟件建模

圖1 Ansoft/Maxwell界面

圖1給出了Ansoft/Maxwell界面，通過以下幾個(gè)部分，完成建模過程：①建立電機(jī)幾何模型；②材料定義與分配；③設(shè)置激勵(lì)源與邊界條件；④剖分與求解選項(xiàng)參數(shù)設(shè)定；⑤分析自檢。

圖2 永磁同步電機(jī)模型

圖2以傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)為例，給出完成上述設(shè)置后的模型，其中紅色為永磁材料，綠色為硅鋼片，黃色為電樞繞組。從圖2可以看出，該種圖像建模的形式使得電機(jī)結(jié)構(gòu)清晰，易于分析不同材料與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

2 Ansoft/Maxwell仿真分析

通過分析自檢后，運(yùn)行該模型可以得到仿真數(shù)據(jù)與波形，從而進(jìn)一步分析電機(jī)電磁性能。例如，如圖3所示為電機(jī)空載磁場(chǎng)圖，不同色彩所代表的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小以及曲線走向，說明了磁路的飽和程度與變化趨勢(shì)。另外，還可以將不同時(shí)刻的磁場(chǎng)圖做成連續(xù)動(dòng)畫，更加生動(dòng)形象的詮釋一個(gè)電周期內(nèi)的磁場(chǎng)變化。

圖3 空載磁場(chǎng)

通過仿真同樣可以得到電機(jī)的磁鏈、反電勢(shì)、電感以及轉(zhuǎn)矩等波形，圖4給出了該永磁同步電機(jī)的磁鏈波形。可以看出，該電機(jī)單相繞組匝鏈的磁鏈接近正弦，且為雙極性。

圖4 電機(jī)磁鏈

將所有仿真波形進(jìn)行分析比較，不僅可以用于輔助教學(xué)，幫助理解電機(jī)工作原理。同時(shí)為電機(jī)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供仿真依據(jù)。

3 結(jié)論

在本次電機(jī)學(xué)教學(xué)過程中，嘗試融入Ansoft/Maxwell有限元電磁場(chǎng)軟件，降低了授課的難度，并使得分析過程更為生動(dòng)具體，易于調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性。從而豐富教學(xué)內(nèi)容，完善電機(jī)學(xué)教學(xué)計(jì)劃，也迎合了目前的就業(yè)需求。